17 Błędów Początkujących ze Współbieżnością

Temat współbieżności nie należy do najłatwiejszych obszarów programowania. Na początku nauki często jest pomijany. Młodzi programiści skupiają się na nauce języka, paradygmatów programowania, czy pracy z bazą danych. Pominięcie temu współbieżności może jednak prowadzić do poważnych problemów. W tym wpisie przedstawię Ci 17 błędów, które często popełniają początkujący w tym zakresie.

1. Ignorowanie problemu współbieżności

Podstawowym problemem jest ignorowanie tematu współbieżności.

Niestety. Frameworki – nawet najlepsze – tego za nas nie załatwią. Jeśli nie zwrócimy uwagi na ten temat, to możemy być w dużych tarapatach.

Zastanów się więc:
– co się stanie, gdy z Twojej aplikacji zacznie korzystać 10, 100, 1.000 użytkowników na raz?
– jak zachowają się wtedy Twoje struktury danych?
– co się stanie, gdy wiele requestów na raz będzie chciało odczytać, bądź modyfikować dany zasób?
– co jeśli danych, które przetwarzasz będzie 10, 100, 1.000 razy więcej niż na Twojej lokalnej maszynie?
– na jakich pulach wątków tworzone są Twoje operacje?

Bez znajomości podstaw bardzo łatwo o tworzenie aplikacji pełnej dziur, błędów i problemów.

2. Ręczne tworzenie wątków

Aby stworzyć nowy wątek w Javie wystarczy zawołać new Thread(). Jak każdy inny obiekt.

Ale! Wątek nie jest zwykłym obiektem. Wiąże się on z fizycznym utworzeniem wątku w systemie operacyjnym czy zalokowaniu dla niego obszaru pamięci (na stos wątku). Co więcej system operacyjny limituje ile takich wątków może być w ogóle utworzonych. Dodatkowo wiąże się to też z narzutem czasowym.

Dlatego jeśli kusi cię, by samodzielnie tworzyć nowe wątki na swoje operacje, to nie idź tą drogą. Zamiast tego korzystaj z pul wątków, które dużo wydajniej zajmują się tworzeniem i utrzymywaniem przy życiu wątków. Dobrze skonfigurowane nakładają też na nie odpowiednie limity.

3. Nieprawidłowe stosowanie pul wątków

Skoro już wiesz, że pule wątków (Executors i ExecutorsService w Javie) sprawdzają się lepiej niż ręczne tworzenie wątków, to jak z nich dobrze korzystać?

Po pierwsze – nie twórz pul wątków per zadanie.

De facto wystarczą Ci 4 rodzaje pul wątków:

  1. Do obsługi requestów webowych – tej zazwyczaj nie musisz tworzyć samodzielnie, gdyż jest dostarczona przez twój framework – np. Spring
  2. Do obsługi intensywnych operacji na procesorze – CPU – bound (tyle wątków ile rdzeni Twojego procesora) – jeśli często wykonujesz kalkulacje które mocno obciążają procesor, to można je wykonywać na takiej puli wątków
  3. Do obsługi urządzeń wejścia-wyjścia (IO) – np. pule wątków do komunikacji z zewnętrznymi serwisami (po API), z bazą danych, może z użytkownikiem (w tym wypadku możesz tworzyć dedykowane pule wątków pod rodzaj komunikacji, np. osobna do bazy danych, osoba do żądań HTTP, osobna do interakcji z użytkownikiem)
  4. Do obsługi zadań cyklicznych – 1-wątkowa pula wątków. Jeśli zastosujesz tę pulę wątków tylko do startowania zadań cyklicznych, a samą obsługę tych zadań przeniesiesz na inne pule wątków, wówczas wystarczy Ci nawet 1-wątkowa. Jeśli zadań cyklicznych masz zdecydowanie więcej, możesz rozważyć więcej pul wątków.

4. Nienazywanie wątków w pulach wątków

Gdy już tworzysz własne pule wątków, warto zaopiekować się nazewnictwem takich wątków. Pomoże Ci to w debugowaniu i czytaniu logów z aplikacji.

W tej sytuacji w momencie tworzenia puli wątków przekaż do niej obiekt ThreadFactory, który zajmie się tym problemem.

ThreadFactory namedThreadFactory = 
  new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("my-sad-thread-%d").build()

Klasa ThreadFactoryBuilder pochodzi z Guavy.

5. Stosowanie pul wątków o nieograniczonej długości

Do tworzenia pul wątków w Javie często korzysta się z dostarczonych fabryki Executors. Należy być z nią jednak ostrożnym. Spójrzmy do jej wnętrza.

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {  
    return new ThreadPoolExecutor(
            nThreads, nThreads,  
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,  
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>()
        );  
}

Ostatni argument wskazuje na kolejkę, na której będą przechowywane zadania oczekujące w kolejce na wykonanie. Użyto tutaj struktury danych:

new LinkedBlockingQueue<Runnable>()

której ograniczenie na liczbę przyjmowanych zadań wynosi:

public LinkedBlockingQueue() {  
    this(Integer.MAX_VALUE);  
}

2.147.483.647 obiektów.

Zastanów się, czy Twojej aplikacji wystarczy pamięci by taką liczbę zadań obsłużyć?

Dlatego dużo lepszym rozwiązaniem jest stosowanie ograniczonej kolejki – nawet jeśli nie wiesz ile obiektów dana pula wątków przyjmie i ręczne tworzenie puli wątków, na przykład w taki sposób:

return new ThreadPoolExecutor(
    nThreads, nThreads,  
    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,  
    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(100)
); 

W tym wypadku w kolejce będzie maksymalnie 100 oczekujących zadań.

6. Brak obsługi odrzuconych zadań

Jeśli limit zadań na puli wątków zostanie przekroczony, to co się wtedy stanie? Domyślnie zostane rzucony wyjątek. Ale możesz też dostarczyć własne zachowanie.

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    nThreads, nThreads,
    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(100),
    new RejectedExecutionHandler() {
        @Override
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
            logger.info("[" + Thread.currentThread().getName() + "] I am Full, sorry bro");
        }
    }
);

W tym wypadku musisz przekazać jeszcze jeden parametr do tworzenia puli wątków – RejectedExecutionHandler. Możesz napisać własny, lub skorzystać z gotowych implementacji, które znajdziesz w klasie ThreadPoolExecutor.

7. Brak obsługi wyjątków z wątków

Czy wiesz co się stanie, jesli w twoim zadaniu zostanie rzucony wyjątek? Wątek zginie, a wyjątek może nie zostać w żaden sposób zarejestrowany. W tym celu upewnij się, że tworząc wątki (przez pule wątków, o czym już wiesz z punktu 2) rejestrujesz w nich instancję klasy Thread.UncaughtExceptionHandler, w której definiujesz co ma się stać z rzuconym wyjątkiem – minimum to zalogowanie wyjątku do logów.

new ThreadFactoryBuilder()
    .setUncaughtExceptionHandler(new Thread.UncaughtExceptionHandler() {
        @Override
        public void uncaughtException(Thread thread, Throwable error) {
            logger.error("CUSTOM EXCEPTION HANDLER:", error);
        }
    })
    .build();

8 Stosowanie zwykłych kolekcji

Programując w Javie intensywnie korzystamy z kolekcji takich jak Listy, Sety czy Mapy. Do wielu zastosowań są one właściwymi kolekcjami, ale nie każda ich implementacja dobrze sprawdza się w sytuacjach współbieżnych. Jeśli daną kolekcję mogą w jednej chwili modyfikować większe ilości wątków warto zastanowić się czy będzie to bezpieczne i jak się przed tym zabezpieczyć.

9. Stosowanie synchronizowanych kolekcji

Jednym ze sposobów zabezpieczenia przed współbieżnym dostępem do kolekcji jest stosowanie kolekcji synchronizowanych. Tworzy się je za pomocą metod z klasy fabryki Collections takich jak: synchronizedList, synchronizedMap czy synchronizedSet. I o ile zabezpieczają one przed współbieżnym dostępem, o tyle robią to z dużym narzutem wydajnościowym. W jednej chwili z kolekcji może korzystać tylko jeden wątek.

Zamiast tego lepiej korzystać z dedykowanych kolekcji o lepszej charakterystyce wydajnościowej.
Przykładem mogą być: ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList czy ConcurrentLinkedQueue.

10. Brak stosowania operacji atomowych z kolekcji

Gdy już stosujemy odpowiednie kolekcje, warto skorzystać z odpowiednich metod zapewniających atomowość operacji.

Przykładowo, błędem jest poniższy kod:

ConcurrentHashMap<String, Long> counter = new ConcurrentHashMap<>();
if(counter.contains("sztukakodu")) {  
    counter.put("sztukakodu", 1L);  
} else {  
    counter.put("sztukakodu", counter.get("sztukakodu") + 1L);  
}

Te operacje nie są atomowe i w międzyczasie zawartość mapy może zostać zmodyfikowana prowadząc do niewłaściwych wyników.

Zamiast tego, warto korzystać z metod atomowych, jak compute:

counter.compute("sztukakodu", new BiFunction<String, Long, Long>() {  
    @Override  
    public Long apply(String key, Long currentValue) {  
        return currentValue != null ? currentValue + 1 : 1L;  
 }  
});

Jak wskazuje dokumentacja:

The entire method invocation is performed atomically

Dzięki temu mamy pewność, że ostateczne wyniki będą poprawne.

11. Niekorzystanie z kolejek

Jedną z rzadziej stosowanych, a niezwykle użytecznych kolekcji w Javie, jest kolejka – Queue. Język dostarcza nam wielu implementacji, takich jak:

ArrayBlockingQueue, ArrayDeque, ConcurrentLinkedDeque, ConcurrentLinkedQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, LinkedList, LinkedTransferQueue, PriorityBlockingQueue, PriorityQueue, SynchronousQueue.

Kolejki świetnie sprawdzają się w środowisku wielowątkowym, w którym z jednej strony umieszczamy na kolejce jakieś zadanie do wykonania / wynik jakiejś operacji, a z drugiej konsujemy je w celu wykonania lub dalszego przetworzenia.

Dzięki kolejkom nie musimy komunikować się bezpośrednio między wątkami, a możemy wygodnie przekazywać obiekty i wymieniać się komunikatami.

12. Niewłaściwe korzystanie z parallelStream

Wprowadzone w Javie 8 Streamy już na dobre zadomowiły się w aplikacjach Javowych. W klasie Stream kryje się metoda parallel, która uruchamia cała sekwencję operacji na wielu wątkach.

Ale uwaga! W ramach jednej aplikacji wszystkie operacje zrównoleglone za pomocą parallel wykonują się na jednej puli wątków – ForkJoinPool.commonPool.

Składa się z liczby wątków równej liczbie rdzeni minus 1. To oznacza – dla 4-rdzeniowego procesora – że będzie ich tylko 3.

O ile wykonujemy jedynie operacje oparte o procesor, nie będzie to problemem. Ale gdy za pomocą Stream#parallel będziemy chcieli zrównoleglić zawołania do zewnętrznych usług / serwisów (np. API), które mogą trwać od 100 ms do 30 sekund, wówczas możemy mieć poważne problemy.

Wystarczy, że w kilku miejscach aplikacji zastosujemy takie zachowanie i operacje będą konkurować o wątki dostępne w commonPooli ostatecznie prowadząc do obniżenia wydajności i długiego oczekiwania na wyniki.

13. Brak stosowania transakcji

Nie raz zdarza się, że w ferworze implementacji zachowań biznesowych młodzi programiści zapominają o przemyśleniu kwestii transakcji w danych operacjach. O ile w Springu robi się to dość łatwo adnotacją @Transactional – i łatwo to przeoczyć – o tyle warto zwrócić na to szczególną uwagę.

Brak zakładania transakcji może prowadzić do poważnych błędów w aplikacji i niespójności danych, które może być trudno rozwiązać po fakcie.

14. Stosowanie zbyt dużych transakcji

Innym problemem jest zakładanie zbyt dużych transakcji.

Wyobraźmy sobie sytuację, że cyklicznie wysyłasz maile do swoich użytkowników.

class NotificationJob {  
    UsersRepository users;  

    @Transactional  
    @Scheduled(fixedRate = "60_000")  
    public void run() {  
        users.forEach(this::sendNotifications);  
    }  

    private void sendNotifications(User user) {  
        // ...  
    }  
}

Zakładanie transakcji nad całą operacją może wysycić Ci pulę połączeń do bazy danych oraz prowadzić do niespodziewanych błędów.

Zamiast tego transakcja powinna być otwierana i zamykana na możliwie najmniejszy fragment kodu – w tym wypadku na przykład obsługę pojedynczego użytkownika.

15. Brak stosowania Optimistic Locking

Pracując z bazami danych warto pamiętać o tym, co się dzieje, gdy wiele wątków jednocześnie próbuje modyfikować nasze encje. Czy jesteś przed tym zabezpieczony?

Co się stanie, gdy dwa wątki, jeden po drugim będą chciały zapisać zmiany w encji? Które dane na końcu będą właściwie?

Jeśli odpowiednio się nie zabezpieczysz, wygra ostatni zapis. A nie zawsze może to być właściwe zachowanie.

Zamiast tego warto stosować Optimistic Locking za pomocą adnotacji @Version.

class Book {
    // ...

  @Version
  private long version;

}

Dzięki temu upewnisz się w środowisku Spring / Hibernate, że w przypadku współbieżnego zapisu, drugi się nie uda powodując wyrzucenie wyjątku. A Ty będziesz mógł przekazać kontrolę użytkownikowi, by sam zdecydował jaka ma być ostateczna wartość.

16. Współdzielenie mutowalnych obiektów

Jedną z najważniejszych technik ułatwiających pracę w środowisku współbieżnym jest stosowanie niemutowalnych obiektów. Znasz takie na codzień – to na przykład String, czy BigDecimal.

Można je bezpiecznie dzielić między wątkami, nie obawiając się o zmianę ich stanu.

Staraj się sam też tworzyć niemutowalne obiekty, które można łatwo współdzielić, a te mutowalne traktuj z należytą starannością. Tak, by nie doprowadzić do nieoczekiwanych modyfikacji. Do odczytu zwracaj ich kopie, a w momencie modyfikacji upewnij się, że robisz to w sposób bezpieczny i rozumiesz jakie są tego konsekwencje.

17. Brak stosowania równoległych operacji w komunikacji z zewnętrznymi usługami

Ostatni częsty błąd początkujących to niekorzystanie ze współbieżności tam gdzie ona najbardziej się przyda. A jest to przede wszystkim komunikacja z zewnętrznymi usługami.

Jeśli w jednej operacji odpytujemy kilkoma żądaniami zewnętrzne usługi to aż prosi się wykonać to na wielu wątkach. Można w tym celu skorzystać z puli wątków i CompletableFuture. A na końcu zebrać wyniki w jeden rezultat.

Wtedy zamiast np. czekać na odpowiedź z 5 serwisów przez 1 sekundę (gdzie każdy opowiada po 200ms), mamy cały wynik w okolicach wyniku najwolniejszego z nich – potencjalnie około 200 milisekund.

Podsumowanie

Współbieżność to potężne i potrzebne narzędzie w codziennej pracy programisty. Dzięki niemu nasze aplikacje mogą pracować wydajnie, efektywnie i szybko spełniać powierzone im zadanie. Bez zrozumienia jej działania i zwrócenia uwagi na podstawowe błędy możemy narobić sobie dużo problemów.
Upewnij się, że znasz podstawy współbieżności, rozumiesz jakie konsekwencje mogą mieć Twoje działania i jak się ustrzec przed najpoważniejszymi wadami.

Author: Dariusz Mydlarz

Cześć, nazywam się Dariusz Mydlarz i od 2012 pracuję jako programista. Tworzę w ekosystemie Javy i uwielbiam systemy backendowe. Chcę w tym miejscu pomagać Ci stawać się lepszym programista. Jeśli mogę Ci jakoś pomoc, po prostu napisz do mnie.

One Reply to “17 Błędów Początkujących ze Współbieżnością”

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *